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当今交流变频传动的发展及在水泥厂的应用

2007/08/28 00:00 来源:

鉴于直流传动具有优越的调速性能,在上一世纪的大部分年代里,高性能可调速传动都采用直流电动机,而约占电气传动总容量80%的不变速传动则采用交流电动机。20世纪70年代变频器的问世彻底打破了交直流传动按调速分工的格局,经历近半个世纪的研究,变频技术从晶闸管(SCR)时期发展到今天的大功率晶体管(IGBT,IGCT)和耐高压大功率晶体管(HVIGBT) 时期,控制技术也发展到今天的矢量控制和直接转矩控制且已全数字化‚其机械特性硬度能满足具有一定硬性负载的调速要求,并有很好的运行特性,并可作为现场级与监控级联系在一起,应用更灵活,通讯更自由,对供电系统也可实现无干扰,应用范围几乎涉及到整个工业领域。
在水泥工厂的设计中,如风机、水泵、篦冷机、选粉机、各种称重设备及板式给料机等都已采用变频调速,已收到良好的经济效益。在立窑厂、湿法窑厂风机采用变频调速已较为普遍,在新型大型干法厂如广州珠江水泥厂、都江堰水泥厂几乎所有风机采用了大功率高压变频器。有些厂如三菱烟台厂已用交流变频传动装置用在窑系统已将近10年, 采用恒转矩负载,在调速、过载、电机维护等方面多有良好的业绩。
......

   
1、变频技术的发展 

   1)功率开关器件的发展 
      当今交流变频传动装置大多采用SPWM(sin pulse width module)正弦脉冲宽度调制方法,即:三相交流经整流和电容滤波后,形成恒定幅值的直流电压,加在逆变器UI上,逆变器的功率开关器件,按一定规律控制其导通和断开,使输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形。如改变脉冲的宽度即可控制逆变器输出交流基波电压的幅值;如改变调制周期即可控制其输出频率,这样就同时实现了调压和调频, 图1为SPWM原理框图。随着变频器快速性、精度及可靠性的不断提高,对功率开关器件要求越来越高,即开关频率要求在几十kHz,导电损耗低,在各种应用领域的可靠性高,目前除GTO 外,现较成熟的有(IGBT)- (Insulated-Gate Bipolar Transistor)绝缘栅双极晶体管和(IGCT)-(集成栅整流晶体管-Integrated Gate Commutated Thyristor),IGBT还有高低压之分。西门子公司在发展IGBT技术方面,不仅开发了耐高压的HV-IGBT,在提高关断和载流能力有新的进展;且每次通电或断电时的瞬变电流和瞬变电压可以通过门电路进行控制;ABB公司在发展IGCT技术方面,主要在快速、均衡换流和内在的低损耗等取得很大进展; 其他如Rockwell公司,Fuji等公司在大功率开关器件开发和应用方面也积累了丰富的经验。 
       最近又有新的半导体开关器件推出,如IPM(Intelligent Power Module), IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor),炭化硅SiC等,但目前只有小功率的。随着半导体及微电子技术的发展,将开发出性能更好的半导体开关器件,并用于变频器中。  
  

                                                               图1   SPWM原理框图  
  

2)控制理论和控制技术的发展 
      由于交流电机原理上的原因,其数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统,要像直流电机那样直接通过电流对电磁转矩进行灵活和即时的控制有一定的难度。如果将交流异步电机经过坐标变换可以生成等效的直流电机模型,模拟直流电机的控制方法,求得直流电机的控制量,经过相应的坐标变换反变换,就能控制交流异步电机。由于进行坐标变换的是电流(代表磁动势)的空间矢量,由此实现的控制系统即称为矢量控制系统。当今矢量控制的交流变频器组成的传动系统已完全实现数字化、智能化、模块化控制,即有一个集成高动态性能、优良控制特性、极高灵活性的模板,来实现与电机有关的控制任务,而且带有大量的自由功能模块,用这些模块也可处理与传动有关的控制,如西门子公司的CUVC控制模块等;同时在软件配置上也已实现了标准化和模块化,还提供了许多的非标准功能,如手动-自动设定,输入给定值的通用性,自动重启动功能等,可以说矢量控制的交流变频调速系统的静、动态性能已完全能够与直流调速系统相媲美,是目前最成熟,完善的技术。。 
      继矢量控制系统以后,直接转矩控制系统(DTC)是近十几年发展起来的,又一种高动态性能的交流变频调速系统。在DTC中,定子磁通和转矩作为主要控制变量,在等效的电动机自适应模型软件中,通过高速的速度数字信号处理器,电动机的状态每秒更新达几万次。由于电动机状态连续不断地更新,实际值与参考值不断进行比较,实现对逆变器中的每个开关状态单独确定,从而对负载突变或电源干扰所引起的动态变化作出迅速的反应,故它的动态特性好。DTC强调转矩的控制,在控制理论上属于Pang-Pang控制。在高速状态下,其控制水平与矢量控制没有差别,但在低速状态下,其转矩控制不稳定,易发生震荡,引起传动轴系震荡。 
3)高压变频器 
     所谓的高压等级为2300V,3300V,4160V, 6000V,(也有称之为中压),在高压变频器推出前,大功率高压交流异步电机如需采用变频调速传动,有二种方法,一是靠多个低压PWM变频单元串联的方式实现直接高压,如西门子下属罗宾康的高压变频器,电网电压经过隔离变压器降压后给每个功率单元供电,单相变频功率单元在输出端串联,实现变压变频的高压输出,直接带动高压交流电机。这种变频器经过较长时间运行考验以及器件不断升级,现已在各行业得到认可,最主要特点是谐波较低,系统的效率高,功率因数可达0.95。 另一种是所谓的“高-低-高,通过变压器将高压变低压(一般690V),,在低压侧变压变频,再由升压变压器升至和高压电动机相匹配的电压,组成高压交流调速传动装置,由于两侧均需大型变压器,损耗高,谐波较大,现各领域已较少应用。随之耐高压大功率晶体管(HVIGBT)(IGCT)的推出,近几年来AB,Siemens, ABB纷纷推出高压变频器,它的特点是变频器输出可直接接入高压电机,不需专用的变频电机,也称高-高变频器,当前高压变频器的发展主流是主回路采用三电平结构,高压器件,电压源型以及矢量控制方式,现最大可用于7500kW异步电机的速度和转矩控制。为满足脉冲整流器的需要,变频器配套有专用的变压器 (一般是三圈),脉冲整流器根据电网对谐波分量的要求,一般可选用6,12,18,24脉冲。 西门子公司新开发的SIMOVERT MV装置在输入端采用了有源前端和3电平的HV-IGBT的逆变器,具有自动限流功能,门极控制简单,器件少,效率高,功率因数可高于0.96。通过一个标准程序,可对0~9000r.p.m范围内的传动进行精确控制,其输出电压有极低的谐波分量,并具有极佳的转矩特性,尤其是具有良好的低速性能,能持续输出稳定的大转矩,图2为其电气原理图。   
  

                                           图2:SIMOVERT  MV 电气原理图  
 


 4)电压源型的普遍应用 
      从变频电源的性质上看,可分为电压源型变频器和电流源型变频器,它们的主要区别在于中间直流环节采用那种滤波器,电压源型变频器采用大容量电容滤波,直流电压波形比较平直;电流源型变频器采用大电感滤波,直流电流波形比较平直。前述电压源型变频器是当前的主流,指电压源型变频器比电流源型变频器性能优越,采用电压源型变频器使变频器的性能,包括输出波形、功率因数、效率、可靠性及动态性能能进一步提高。见表1: 

 

性能         型式
     电流型
     电压型
    功率因数
低且随转速变化
  高,大于0.93
 效率
 可达0.93
    可达0.95
转矩脉动
       小
输出电流波形
   方波
    正弦波
输出电压波形
   正弦波
    接近正弦波
对电机的适应性
差,对电机的绝缘要求高
强,对电机的绝缘要求低
运行可靠性
   一般
很高,可长期稳定运行
价格
   较高
     较低

5)通讯、诊断和操作 
     工业控制网络作为工业企业综合自动化系统的基础,从结构上看可分为三个层次:即管理层、监控层和现场设备层。交流变频传动装置和现场仪表一样,属于现场设备层,现今推出的变频器具有极其灵活的通讯功能,通过总线不仅变频器之间可以通讯,而且还可以和PLC或上一级的自动化系统进行通讯,如西门子SIMOVERT MASTERDRIVES可安装通讯模件,即可通过PROFIBUS-DP 
     以12Mbit/s的速率,或CAN总线与更高级别的系统或与其他变频传动装置通讯;又如AB的1336PLUS变频器可由通讯模件直接挂在Control Net 上。上一级再通过工业以太网很容易组成全集成自动化系统。用一个高水平的用户友好界面,变频器的所有参数可形象化显示、设定、处理,也可进行诊断操作等,也可实现在线和离线操作。 
2.应用 
     交流变频传动装置现已广泛在我国各行业应用,特别在石油化工、冶金钢铁、汽车、造纸、热电、食品、纺织、包装等工业。最大交流变频传动用于钢铁企业5000kW控制精度要求极高的轧机上,最小用在家用空调的风机上,几乎包括各个领域。在水泥行业交流变频传动主要用在以下方面: 
1)节能调速 
     节能调速目前普遍使用在控制精度不高,动态性能要求低的平方率负载上,如风机和水泵,风机和水泵等机械总容量几乎占工业电气传动总容量的一半,它也是耗能的大户,如一个5000t/d的水泥厂,窑尾高温风机为2500kW,而全厂所有风机的耗电量约占整个厂用电量30%;增压水泵和循环水泵容量也不小。如交流传动不调速,风量和水的流量,靠档板和阀门来调节,相当于增加管的阻力,使大量的电能消耗在档板和阀门上,负载下降又使驱动电机的功率因数降低。由于风机和水泵是属于平方转矩负载,轴功率则与转速大致成立方关系,如换成交流调速系统,当风机和水泵转速下降时,消耗的功率大大下降,在众多的风(水)量调节方式中,变频调速的节能效果是很可观的,据统计平均节能在20%左右。 
水泥行业中的泵类和风机已开始大量使用变频器,并取得较好的节能效果。由于控制要求不高,只要选型正确,各类变频器都可用于泵类和风机中;在大功率高压的泵类和风机负载也采用了大功率高压变频器,笔者建议水泥厂可采用多个低压PWM变频单元串联的大功率高压变频器,主要它对电网和其他高压设备产生谐波干扰小,另外安装和维护相对简单,某个功率单元故障出现时,可自动退出系统,而其他功率单元可继续保持电机的运行。当然也可使用大功率器件组成的高压变频器,但价格较贵,谐波干扰不易解决,拉发齐都江堰水泥厂几乎所有风机采用了大功率高压变频器。  
2)其他交流变频调速 
      篦冷机、选粉机、各种称重设备及板式给料机等都已采用变频调速篦冷机、选粉机、各种称重设备及板式给料机等都已采用变频调速。在水泥行业回转窑采用直流传动长达一世纪,主要对其起动转矩要求较高,一般为额定转矩的2.5倍,另外要求过负荷能力时间长和过负荷倍数高,选型时,必须按起动要求额定转矩的 倍数,折算为交流起动转矩以确定交流电动机的功率,并正确选择与电机的功率匹配的变频器,充分考虑起动转矩和过负荷能力。一个3300t/d的厂,回转窑 
传动直流电机的功率为315kW,如采用交流传动交流电机的功率则选为450kW,希望用交流变频传动,则变频器应选用710kW容量的交流变频器。 
3)交流调速装置应用时注意几点: 
     a.在使用过程中要注意变频器的功率与电机的功率匹配或变频器的负载特性与实际负载特性匹配。变频器选大了造成浪费,选小了驱动不了设备。因此变频器选型是关键。变频器分恒功率型和恒转矩型,对一般容量且无过载要求选用恒功率型。对于工艺有过载要求的必须选用恒转矩型 
     b.交流变频调速传动装置对电网会产生谐波干扰,应按中国的谐波标准GB/T14549-93加谐波滤波器或电抗器,使其对电网干扰最小。.  
     c.为使变频调速器受外界干扰影响最小, 在布线时控制电缆,电源电缆与电动机的连接电缆的走线必须相互隔离。不要把它们放在一个电缆线槽中或电缆架上;输入和输出信号回路必须用屏敝对绞线,接到电动机的主回路连接电缆应该是屏蔽或铠装,屏蔽层接地;用短而粗的节电接地线按规定正确连接保护接地和系统接地,最后连接到公共的星形接地网络;根据需要还可考虑加隔离变压器和进线电抗器,使其受干扰影响最小。 
    d. 水泥生产使用的原料本身的比重大,加在输送设备上的重量也大,如板喂机,输送皮带等的调速变频器必须选用同功率的恒转矩变频器。 
    特别是板式喂料机由于各种原因经常运行在低频率状况,在磁点范围内变频器输出的电压不能增加,其负载容量减少,电机发热。这就要求选用专用的变频电机 
e.在低速运行时,须防止轴系的震荡;在高速运行时,须防止超速。


3.结论 
1)在我国交流变频调速传动装置已在水泥行业广泛应用,并已取得较好的经济节能效益。 
2)  随着新型大功率半导体器件的推出,控制理论不断仓新和发展,微电子技术完善,现今变频器向着大功率、高电压的方向发展,控制精度和动态特性也越趋完美,水泥行业的大功率、高电压变频器也将开始使用。  
  

           

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高压变频器属于大型电子设备,对环境要求比较严格。风水冷系统的应用可以很好的解决高压变频器在运行中的散热和防尘问题,为高压变频节能改造中降低冷却系统能耗,提高系统安全可靠性,提供重要的可借鉴经验。

亚洲水泥(中国)控股公司 成功应用水泥短窑系统的运转实绩

亚洲水泥公司的第一座德国洪堡公司 Pyrorapid水泥短窑生产线(Φ5×55m,两组托轮,设计熟料产能4800t/d)1992年在张才雄资政的领导规划下于台湾花莲厂投产,引进国内外先进技术、装备和工艺,秉持创新理念,促进落实环境保护、节能减排、提高产品质量,当时为世界最大的水泥短窑,开启了水泥短窑生产技术发展的重要里程碑。

水泥窑头电收尘器升级改造的技术路线

根据《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915-2013)要求,现有企业自2015年7月1日起窑头窑尾的粉尘排放浓度限值为30mg/m3,早期设计电收尘器已不能满足新标准要求。

索雷碳纳米技术现场修复辊压机轴承位

索雷(SoLid)工业作为全球首家专门为工业企业定制维修方案的专业机构,自成立伊始即以企业设备系统管理与维护为核心,以帮助企业重建维修生态为理念,依托先进的设备管理理念、预测性维修诊断技术,结合国际最前沿维修技术、材料和工艺为用户提供全方位的技术支持、产品销售以及咨询服务。

C3A和半水石膏含量与水泥标准稠度用水量的关系

水泥标准稠度用水量是衡量水泥工作性能优劣的指标之一。一般来说,水泥标准稠度用水量小,则混凝土单位需水量少,外加剂掺加量少,强度高,耐久性比较好。因此,近年来,有关水泥标准稠度用水量的问题越来越引起人们的重视,特别在两广地区,混凝土行业总是希望水泥的需水量越小越好 [1-2]。

商品混凝土路面早期裂缝的成因分析!

本文对商品混凝土应用于水泥混凝土路面,引起的路面早期裂缝问题进行了分析,从商品混凝土的材料性能养护环境以及施工等方面做出了分析,并提出了相应的防止措施减少商品混凝路面的早期裂缝。

粉碎机维护不力会付出高昂代价

为满足产能,破碎机通常需要在高功率、高强度及高负荷状态下运转。对机器进行维修保养时,客户须意识到这种状态会给机器及易损配件带来较大负荷。维修保养意义重大,否则会造成不必要的经济损失甚至是产能下降。

辊压机的维护与保养

辊压机与球磨机组成的联合粉磨系统、半终粉磨系统已广泛应用于各种粉磨作业。辊压机最大的缺点是辊面磨损严重。辊压机安装使用后,一般情况下连续运转半年以后,辊面的耐磨花纹磨损就所剩无几。

四川、新疆都地震了 我们来看看水泥厂的抗震设计要怎么做?

8月8日21时19分,根据中国地震台网正式测定,四川阿坝藏族羌族自治州九寨沟县(北纬33.20度,东经103.82度)发生7.0级地震,震源深度20公里。截止到8月9日12时30分左右,九寨沟地震已造成13人死亡、217人受伤。

基础知识 :三明治外墙板反打工艺、正打工艺适用范围和特点

所谓“反打”就是在平台座或平钢模的底模上预铺各种花纹的衬模,使墙板的外皮在下面,内皮在上面,与“正打”正好向反。这种工艺可以在浇注外墙混凝土墙体的同时一次将外饰面的各种线型及质感带出来。

减速机故障诊断与解决方法

减速机是一种动力传达机构,利用齿轮的速度转 换器,将电机(马达)的回转数减速到所要的回转数, 并得到较大转矩的机构。在目前用于传递动力与运动 的机构中,减速机的应用范围相当广泛。

水泥厂设备故障的应急处理案例

水泥生产过程中经常遇到设备突发故障,此时由于未到计划检修时间或没有备件,往往需要对设备故障进行应急处理维持生产的正常运行,以等待计划停机检修或备件。本文介绍几个我公司的设备故障应急处理案例,与同行交流探讨。

窑头飞砂料的处理及篦冷机顶部接料装置

登封市嵩基水泥有限公司4 500t/d生产线自2012年以来,窑头飞砂料一直比较多,飞砂料从窑门下的缝隙落入篦冷机顶部。为避免篦冷机顶部被压塌,每隔几天就需要清理一次顶部积料。

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时间 地区 均价
2024-03-28

新疆维吾尔自治区

¥ 456.51
2024-03-28

宁夏回族自治区

¥ 297.87
2024-03-28

青海省

¥ 416.22
2024-03-28

甘肃省

¥ 372.95
2024-03-28

陕西省

¥ 337.92
2024-03-28

西藏自治区

¥ 635.00
2024-03-28

云南省

¥ 333.10
2024-03-28

贵州省

¥ 323.46
2024-03-28

四川省

¥ 335.19
2024-03-28

重庆

¥ 314.76
2024-03-28

海南省

¥ 402.19
2024-03-28

广西壮族自治区

¥ 312.68
2024-03-28

广东省

¥ 345.22
2024-03-28

湖南省

¥ 312.87
2024-03-28

湖北省

¥ 292.32
2024-03-28

河南省

¥ 303.42
2024-03-28

山东省

¥ 301.62
2024-03-28

江西省

¥ 323.45
2024-03-28

福建省

¥ 311.74
2024-03-28

安徽省

¥ 308.50
2024-03-28

浙江省

¥ 317.92
2024-03-28

江苏省

¥ 281.08
2024-03-28

上海

¥ 312.73
2024-03-28

黑龙江省

¥ 390.49
2024-03-28

吉林省

¥ 331.13
2024-03-28

辽宁省

¥ 302.53
2024-03-28

内蒙古自治区

¥ 341.23
2024-03-28

山西省

¥ 324.87
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河北省

¥ 347.07
2024-03-28

天津

¥ 338.21
2024-03-28

北京

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2024-03-29 18:36:19